基于故障电流积分比的直流配电网极间短路选线方案_刘翼肇.pdf

第39卷 第6期2023年6月电网与清洁能源Power System and Clean EnergyVol.39No.6Jun.2023智能电网Smart Grid基金项目：山西省科技重大专项资助项目（20181102028）；国网山西省电力公司科技项目（520530200014）。Project Supported by Shanxi Province Science and Technology KeyProjectsSupportingProgram（20181102028）；theScienceandTechnology Program of the State Grid Shanxi Electric Power Company（520530200014）.ABSTRACT：When a pole-to-pole short-circuit fault occursto the DC distribution system，the short-circuit current is highinstantly，which threatens the safe and stable operation of thesystem.Meanwhile，giventhetoleranceabilityofpowerelectronic devices，the converter will be locked，which leads toreduction of the fault information.The protection schemebecomes an important factor restricting the development of DCdistributionnetwork.Tosolvethisproblem，firstly，thecharacteristics of the fault current curve of the flexible directline after the pole-to-pole short-circuit fault are analyzed，andthen the integral difference of the fault current curve inside andoutside the fault time zone is revealed.Finally，a scheme ofpole-to-pole short-circuit line selection based on the integralratio of line fault current is proposed.The simulation model ofthe DC distribution system based on modular multilevel converter（MMC）is built on the real time digital simulator（RTDS）toverify the effectiveness of the scheme.KEY WORDS：DC distribution system；pole-to-pole short-circuit fault；integral ratio；RTDS摘要：柔性直流配电系统发生极间短路故障后，系统短路电流大，对系统安全稳定运行产生威胁，同时考虑到电力电子器件的耐受能力，换流器将会闭锁，导致故障信息量减少，对保护方案的速动性和可靠性提出了很高的要求。针对此问题，文章首先分析了直流线路极间短路故障电流特性，然后揭示了故障时区内外故障电流曲线的积分差异，最后提出基于线路故障电流积分比的极间短路选线方案。在实时数字仿真器（real time digital simulator，RTDS）上搭建基于模块化多电平换流器的直流配电网仿真模型，验证了所述方案的有效性与适用性，具有较好的耐受过渡电阻和抗噪能力。关键词：直流配电网；极间短路故障；积分比；实时数字仿真器柔性直流配电系统转换效率高、供电容量大，能够支撑源荷高效接入，已成为未来配电网的发展模式1-5。然而，柔直系统双极短路后故障电流上升速度快、峰值高，可能导致电网大面积停运6，对直流线路保护技术提出了较高的要求7。目前，直流配电线路保护方案大多从交流网沿用而来，包括传统过电流保护、低电压保护、差动保护以及行波保护等。其中，过流保护8抗过渡电阻能力较差；微分欠压保护9-10易受雷击、噪声等波动影响，阈值难以整定；差动保护11-12对通信要求较高，需要数据严格同步，存在长距离线路灵敏性不足的问题；行波保护13-14一般应用在高压输电领域，配电网中行波到达保护装置的间隔较短，难以区分。除了上述保护方案之外，国内外相关领域的研究人员还提出了一些基于数学、人工智能等的一系列新文章编号：1674-3814（2023）06-0008-09中图分类号：TM771文献标志码：A基于故障电流积分比的直流配电网极间短路选线方案刘翼肇1，王金浩1，左鹏飞2，秦文萍3，常潇1，李胜文1，雷达1（1.国网山西省电力公司电力科学研究院，山西 太原030001；2.国网山西省电力公司长治供电公司，山西 长治046011；3.太原理工大学电力系统运行与控制山西省重点实验室，山西 太原030024）A Method of Pole-to-Pole Fault Selection for DC Distribution NetworksBased on the Ratio of Fault Current IntegralLIU Yizhao1，WANG Jinhao1，ZUO Pengfei2，QIN Wenping3，CHANG Xiao1，LI Shengwen1，LEI Da1（1.Electric Power Research Institute of State Grid Shanxi Electric Power Company，Taiyuan 030001，Shanxi，China；2.State Grid Changzhi Electric Power Supply Company，Changzhi 046011，Shanxi，China；3.Shanxi Key Laboratory of Power System Operation and Control，Taiyuan University of Technology，Taiyuan 030024，Shanxi，China）第39卷第6期电网与清洁能源智能电网Smart Grid型保护方案，如文献15提出对直流变压器的调制波进行控制，依据控制产生特殊频率的谐波来判别故障区域，然而在没有直流变换器的场景中该思路并不适用。文献16在 MMC 的控制策略中增加了一个电压前馈环节，以实现故障限流的目的，却并未满足保护对快速性的要求。文献17通过小波变换的数学方法提取故障电流特征，最后与系统生成的人工神经网络相配合来实现故障的快速定位，但依然存在故障特征提取复杂的问题。文献18针对多端柔直电网，分析了反行波中蕴含的故障信息，提出了基于深度学习的波形特征保护方案，虽有效避免了保护方案设计过程中门槛值的复杂计算与整定，但训练过程十分繁杂，在实际工程中应用性不强。新型保护方案虽然提供了一种全新的直流保护思路，但仍存在故障特征提取复杂、训练量大、速动性不足等问题。为了克服以上问题，本文以直流配电系统线路极间短路故障电流特征为基础，利用故障线路电流波形曲线积分性质差异来识别区内外故障，提出了基于故障电流积分比的直流配电网极间短路故障选线方案。最后，在 RTDS 平台上搭建仿真模型，验证了所提选线方案的有效性，克服了传统保护方案耐受过渡电阻能力差的问题，且具有良好的速动性，能够满足直流配电网对保护的要求。1极间短路故障特性分析直流配电系统结构如图 1 所示，采用伪双极接线方式。本文采用典型的主从控制策略，MMC1 维持直流系统电压稳定，MMC2 控制功率传输19，光伏采用 MPPT 控制20。图1直流配电系统结构Fig.1Dc power distribution system structure1.1故障电流曲线凹凸特性分析一般来说，发生双极短路故障时，过渡电阻较小，故障回路为 RLC 欠阻尼振荡电路21。以线路 L2极间短路故障为例，规定电流正方向为母线流向线路，具体分析过程如图 2 所示。图2双极短路第一阶段等效电路图Fig.2Equivalent circuit diagram of the first stage ofbipolar short circuit图 2 中，Req、Leq为故障回路等效电阻和等效电感；Ceq为换流器出口等效电容。根据基尔霍夫电压定律（KVL）分析可得双极短路故障电流方程为imP(t)=Udc(0)dLe-tsin(dt)-imP(0)0de-tsin(dt-)（1）式中：imP（0）与 Udc（0）分别表示故障前直流系统的电流和电压初始值；其他因子的具体含义如下：|=Req/2Leq0=1/(LeqCeq)d=20-2=arctan(d/)（2）对式（1）进行求导可以得出其微分表达式为dimP(t)dt=-Udc(0)0dLeqe-tsin(dt-)+imP(0)20de-tsin(dt-2)（3）根据公式（3）可得电容放电阶段的故障电流曲线为凸函数22，则在故障发生起始时刻电流微分值最大为dimP(t)dt|t=0+=Udc(0)Leq-imP(0)ReqLeq（4）考虑到直流配电网中电压与电流通常会相差两个数量级，且故障回路等效电阻 Req很小19，因此：dimP(t)dt|t=0+=Udc(0)-imP(0)ReqLeq0（5）即双极短路故障时，电容放电阶段故障电流 imP曲线为凸曲线且呈现上升趋势。同理可得，电容放09智能电网Smart Grid电阶段 inP电流曲线也是凸曲线，同时双极短路电流方程满足 imP=-imN，inP=-inN，可得电容放电阶段负极电流曲线均为凹曲线。1.2故障电流变化趋势分析直流配电网发生双极短路故障后，其故障暂态电流的大小、方向与正常运行工况相比会发生变化。若故障暂态电流方向与正常运行工况相同，其故障暂态电流同向增大；若故障暂态电流方向与正常运行工况相反，其故障暂态电流与正常运行工况相比减小甚至反向增大，该变化规律如表 1 所示。表1双极短路故障暂态电流变化规律Table 1The change law of the bipolar short-circuit faulttransient current故障类别区内故障区外故障线路极性P极N极P极N极m侧正负正负负正n侧负正正负负正正负结合 1.1 节理论分析可得，当 L1 发生区内金属性双极短路故障时，正极电流 imP波形曲线为凸曲线且呈同向增大趋势，inP波形曲线为凸曲线呈反向过零增大趋势；负极电流 imN波形曲线为凹曲线且呈同向下降趋势，inN波形曲线为凹曲线呈反向过零下降趋势。当故障位于 L1 线路保护区外时，非故障线路L1 的正极与负极电流波形曲线总是满足曲线凹凸性、电流增长趋势相反的特性。图 3 仿真结果显示故障电流波形曲线的变化趋势与前述理论分析的结果较为吻合（仿真参数见第 4 节）。同时由文献20可知柔性直流配电网发生非金属性短路时，故障电流的上升速度及电流峰值与金属性短路相比均有所下降，其变化幅度虽会减小，但其变化趋势不会改变，也同样符合理论分析的结果。2极间短路电流曲线积分特性及积分比例系数的确定2.1电流曲线积分特性分析由第 1 节分析可知，当发生区内双极短路故障时，故障线路两侧电流波形曲线总是满足曲线凹凸性、电流增长趋势均相同的特性，而非故障线路两侧电流波形曲线总是满足曲线凹凸性、电流增长趋势均相反的特性。据此，可进行双极短路区内外故障识别。本文定义故障电流曲线